次声波在非均匀运动大气中非线性传播特性的研究

基于有限时域差分方法将大气中近似到二阶的非线性波动方程进行离散化,得到了数值模拟所采用的差分方程. 在此基础上,对线阵列辐射的脉冲声波在非均匀运动大气中的垂直和斜向传播进行了二维数值模拟,模拟了武汉地区(114:20°E, 30:37°N)在夏季和冬季UT=29000 s时开始传播的脉冲声波在不同时刻的声压分布. 模拟时通过采用Msise00和HWM93 两个大气模型,考虑了由于大气温度和密度变化以及大气风场存在所引起的大气不均匀性和运动性. 通过研究上述两季有风与无风条件下的声压差值p_r,可以发现:风场对次声波在传播中声压分布的影响较大;由于不同季节和不同传播距离上"有效声速"的不同,导致了两季p_r分布波形存在差异;风场对声波非线性传播的影响要远大于其对线性传播的影响. 关键词： 次声波传播 非均匀运动大气 有效声速     

非线性对大气介质中阵列聚焦声场分布影响的研究

基于时域有限差分算法将大气中近似到二阶微小项的非线性声波波动方程进行离散化,得到了模拟采用的差分波动方程.在此基础上,数值模拟了初始声压强弱不同的5个点声源组成的线阵列垂直或斜向辐射的连续正弦波在大气中传播时二维声场的分布情况.将线性条件下的模拟结果与非线性条件下的模拟结果进行比较后发现:弱非线性会对声场的分布和阵列聚焦增益产生一定的影响,使声场分布波形比线性条件下的声场分布波形更加靠近阵列,聚焦效果变差;强非线性会使波形发生更严重畸变,这是由于产生了基频以外的其他频率声波引起的;非线性对斜向传播时声场分布的影响与垂直传播时的影响效果基本相同,但由于斜向辐射时的声波几何扩展造成的轴向声压衰减要大于垂直辐射时的轴向声压衰减,因此聚焦增益和强非线性的影响都将小于垂直辐射时的情况.     

音乐胎教中的声学问题和人体透声的实验测量

利用声音(音乐)进行胎教有根据吗?即空气中的声音能够透入人体吗?通过模拟实验和人体透声的直接测量,回答是肯定的.实验结果表明,声波从空气中透入人体后,衰减呈低通特性.1000Hz以内 的声波衰减在10dB左右,高于2000Hz的声波衰减大于20dB.为了有效地将声波传入人体,可以采取与人体直接耦合的方法来实现.     

非均匀饱含黏性流体孔隙介质中声波传播及井孔声场分析

声波在饱含流体孔隙介质中的传播特性与流体的黏滞性及孔隙介质的非均匀性密切相关.本文在Biot理论基础上,考虑了孔隙流体的剪切应力及孔隙结构的非均匀性,采用含黏性流体孔隙介质中的波动理论,研究了孔隙介质中四种体波的频散和衰减特性,分析了慢横波对快纵波转换散射的影响,进一步推导了孔隙地层井孔中的模式波及其声场的解析解,研究了非均匀孔隙介质中井孔模式波和波列的特征.研究结果表明,含黏性流体孔隙介质中存在慢横波,慢横波的频散很强,其传播特征受到介质孔隙度、渗透率及孔隙流体黏度的影响.在非均匀孔隙介质中,与慢横波相关的剪切应力平衡过程不仅导致快纵波的频散和衰减,还会影响井孔伪瑞利波及斯通利波的传播特征.本文的工作完善了孔隙介质中声波传播的物理机制,为孔隙地层井孔声波的解释与应用提供了理论指导.     

固体中超声波传播的非线性畸变

研究超声波在固体媒质中传播规律时,通常采用线性近似方法,略去声波参数(如位移、应变和应力等)的二级小量,假定应力和应变的关系遵从胡克定律.这样,固体中声波参数所满足的波动方程是一类线性二阶偏微分方程,其解代表简谐振动或许多简谐振动的叠加.在线性近似下,任何不同类型的简谐波均可独立地传播.若不考虑媒质引起的声波衰减,则声波的波形不变. 但是,对于在固体中传播的强度较高的声波,应力和应变不再能用胡克定律来描述.媒质质点振动的非线性项应该保留.从波的传播特性来看,原来的简谐基波振动在其传播过程中将产生高次谐波分量,发生波…     

次声波在非均匀大气中的超视距传播特性研究

本文基于Nonlinear Progressive Equation (NPE方程)开展了对非均匀大气中次声波超视距传播特性的研究, 通过数值模拟实验对武汉上空四季次声波传播情况以及路径传输损耗进行了模拟, 获取了次声波在非均匀大气中的超视距传播特性. 计算结果表明, 非均匀大气的性质及其中存在的风对次声波传播有明显的影响, 平流层折射与风速和声波传播方向密切相关, 数值模拟结果表明, 当高斯声源主频为0.1 Hz时, 在不同的背景风场传播条件下, 存在着两个反射高度, 其中40 km 高度反射传输损耗约为25 dB, 110 km反射传输损耗约为50 dB. 关键词： 次声波 超视距传播 非均匀大气 平流层折射     

低频声波的定向辐射

实现低频声波在空间中的定向传播,是一个迫切需要解决的关键科学问题。为实现低频声波的定向传播,要考虑影响声波指向性的因素:声源辐射面积、辐射面结构和所辐射声波的频率。而影响声波传播的因素有:(1)媒质的性质,例如声阻抗、声衰减;(2)边界条件,不同的边界会产生声波不同的传播模式,例如点源在不同边界附近的辐射表现(点声源在声学硬边界表现为单级子的指向性,即全指向性;点声源在声学软边界为偶极子的指向性,呈现为八字型,具有一定的指向性);(3)结构的控制,例如通过米氏共振结构来控制低频声波的传播。文章简要介绍了影响声波传播的因素和控制声波传播的方法,并主要从边界条件和结构控制两方面来说明如何实现低频声波的定向辐射。     

雷声在大气中传播的吸收衰减特性研究

选取青海大通地区一次地闪过程的雷声信号,利用信号处理理论,得到了观测点雷声的频谱;依据声波在大气中传播的理论,计算了大气对雷声传播的吸声系数,分析了吸声系数随环境因素的变化,结果表明:闪电发生距离、大气湿度和温度是影响雷声传播的主要因素.在一定闪电距离和大气环境下,吸声系数随频率的增加而增大;频率小于100 Hz的雷声衰减很慢,空气相对湿度和温度对其吸声系数的影响也比较小,在一定距离内的衰减可以忽略;频率大于500 Hz的高频信号吸声系数较大,并且随相对湿度的增加而快速递增;吸声系数随温度呈非单调变化,频 关键词： 雷声传播 大气吸收 衰减     

三维复杂温度场高精度声学测量方法

声学温度场检测技术通过多路径声波传播时间数据,反演被测区域的温度分布。提供了一种高精度的三维复杂温度场的声学测量方法。首先从射线声学角度给出了三维非均匀温度场中声波传播路径的数学模型。在此基础上,将三维温度场的重建问题转化为声波传播路径的求解和温度场的反演问题,建立了基于多项式修正径向基函数(RBF-PR)和改进的Tikhonov正则化三维温度场重建算法。采用两种典型的炉膛三维温度场模型,在信噪比SNR=35 dB下进行了数值模拟,分析了声波传播路径在非均匀温度场中的弯曲特性、算法的重建质量和抗噪性,同时进行了实际炉膛内二维温度场的重建。结果表明了提出的考虑声线弯曲的温度场重建算法具有精度高,抗噪性强、适用性好的特点,为实现高精度的复杂温度场的声学测量提供了有效方法。      

高分子梯度溶液吸声机理的研究

制备了高分子均匀溶液和梯度溶液,并在声管中测试其声衰减性能.实验结果表明,高分子梯度溶液的声衰减效果明显优于(即大于)相应的均匀溶液的声衰减.根据连续分层介质中声波传播理论建立了计算高分子梯度溶液声衰减的数学模型.计算结果与实验结果一致.由实验和理论分析结果得出了高分子梯度溶液的梯度吸声机理,即多次反射、多次吸收,最终将声能转化为热能.     

测量液体非线性参量的光声方法

本文描述了一种用光声脉冲测量液体非线性参量Ｂ／Ａ的新方法。用聚焦脉冲激光束通过光击穿机制在液体中激发光声脉冲。在测量距离范围内，光声脉冲声压幅值随传播距离的变化接近球面扩展衰减规律。根据光声脉冲传播一定距离后前沿上升时间的变化，测定了液体的Ｂ／Ａ。和有限束宽的平面脉冲声波相比，用球面脉冲声波可以避免衍射的影响。用此法测量了水的非线性参量，得到了满意的结果。     

温度梯度场对电声脉冲法空间电荷测量波形的影响

电力设备运行中的温升现象严重影响绝缘的使用寿命,因此高温下的空间电荷测量引起了许多学者的关注.但温度升高时,聚合物材料的声阻抗、Young模量、密度、声波在其中传播的速度、衰减特性均发生变化,因此无法准确测量出介质中的空间电荷特性.而对于温度梯度场下的绝缘介质(如电缆发热场)的空间电荷测量,温度的梯度分布对介质的声阻抗、弹性模量、密度、声速及声波衰减的影响将更为复杂.本文基于电声脉冲测量方法中声波的传播特性和温度对聚乙烯材料特性的影响,分析了温度梯度场对空间电荷测量结果的影响并进行了波形恢复.     

大气声学进展

近十年来,关于大气中声波的广泛研究和应用对科学的贡献给人们留下深刻的印象,对把声学用于大气物理研究重新感到兴趣在很大程度上是由于McAlliste,(1968年)发明回声探测器的刺激。它的引进导致了大气声学许多方面的进展,如:折射效应的新用途;声传播过程中位相和振幅起伏的研究;用次声“透视”大尺度大气过程;高功率声辐天线附近的非线性效应;与噪声有关的问题;与多普勒频移有关的应用以及兼用声波和电磁波的混合器件。原文对这些方面都有比较详尽的评述,现因篇幅所限,仅摘译其中有关声在无湍流大气中传播的理论发展——大气声学最基本、最重要的方面。由于同一原因,有关参考文献均不列出。读者如有兴趣,请查阅原文(共引用391篇文献)。     

一种考虑声线弯曲的温度场重建算法

声波在非均匀温度场中传播时会由于声波的折射而产生声线弯曲现象。为提高非均匀温度场声学CT (Computer Tomography)重建精度,提出一种考虑声线弯曲的重建算法。首先用最小二乘法获得一个不考虑声线弯曲的重建温度场,然后用打靶-插值法确定本征声线出射角,用三角形前向展开法追踪声线,获得此温度场中声波发射/接收器间的本征声线,建立本征声线上声波传播时间与温度分布间的关系,进而实现考虑声线弯曲的最小二乘法温度场重建。单峰、双峰温度场仿真重建结果表明:所采用的本征声线追踪法计算简单运行速度快;考虑声线弯曲后,可明显提高温度场重建精度。因此所提重建算法能更好地适应实际温度场重建需求。      

声波中的“小字辈”——次声波

 人们依靠声音传递语言和相互交往,声音帮助我们传递信息、了解世界,它的频率在20Ｈｚ至20000Ｈｚ之间。高于20000Ｈｚ的声波叫超声波;低于20Ｈｚ的声波称为次声波,大家习惯称之为声波中的“小字辈”。虽然次声波看不见,听不着,可它却无处不在。狂风呼啸、火山爆发、强烈地震、枪炮发射、火箭起飞、热核爆炸时,都可发出次声波,科学家借助仪器可以“听”到它。次声波由于振动频率很低,波长很长,传播时能量损耗小,所以它传播的距离很远,能传到几千以至十几万千米以外。     

全球气候变化中的物理问题

全球气候变化是一个复杂的科学问题,它涉及到气候系统或地球系统的变化,不但需要考虑它们所包含的这些系统内各部分本身的变化,以及它们之间复杂的相互作用,而且还需考虑物理与地球生物化学等许多过程,文章主要讨论全球气候变化中的物理问题,主要有三个方面:(1)辐射传输和全球辐射平衡:不论是由于自然的原因或人类活动(如太阳活动与火山爆发以及温室气体排放增加导致的温室效应加强)一旦破坏全球的辐射平衡,则会引起气候变化,这是气候变化的主要原因与驱动力;(2)大气波动和气候变化的内部变率:除上述外强迫的作用外,气候变化还可由气候系统内部的变率引起,这包括大气内部变率和耦合气候变率,它们主要是通过产生各种大气的波动而实现的,其中最重要的是罗斯贝(Rossby)波.它们的传播和不稳定发展是造成气候变化的另一个原因;(3)气候系统的混沌性质和可预报性:数值预报模式的预报结果对初始场很敏感,即初始场的微小误差可导致完全不同的预报结果,同时模式中物理过程描述的真实程度也影响预报的结果,大气的这种混沌性质限制了天气的可预报性在2周以内,但气候预测由于明显受外强迫的作用,可使大气的混沌时效延长到月、季、年、几十年甚至上百年,为了减少由初始场误差和模式不完善而造成的预报误差,目前气候预报足采用多初值和多模式的集合预报方法,因而气候预测实际上是一种概率预报.     

声学与海洋

在各种辐射形式中,声波在海水中的传播为最佳,在混浊和含盐的海水中,无论光波或电磁波的衰减都远较声波的衰减为大。 海洋及其边界的详细特征对声传播的影响是非常复杂的,声速是温度、深度和盐度的函数,而温度又是深度、季节、地理位置(纬度)和气候条件的函数。海洋表面有时是非常     

格子Boltzmann方法应用于气动声学研究

应用格子Boltzmann方法(LBM)对不同类型的气动声学问题进行数值研究.通过模拟一维平面声波和二维点源声波的传播,得到沿传播方向的声压脉动,其振荡幅值和衰减趋势与理论值相吻合.其次进行声波衍射和干涉现象的数值模拟.最后,模拟处于流场中运动声源辐射声场的多普勒效应.模拟结果说明LBM方法能较好地模拟低马赫数下的声学问题,包括声压脉动的传播,声波的波动特性以及流动与声波间的相互作用.     

声波和由电子粘滞性和声子粘滞性所引起的位错阻尼

在完美晶体中,声波只能同横过晶体的其它类型的波,即声子(热波)和电子或空穴,发生相互作用。在金属中业已证明:声波的衰减是由于相邻平面间电子动量的交换——粘滞效应——所引起的,其有效粘滞性等于     

激光雷达信号大气衰减效应

激光雷达信号在大气中传输时,大气中的气体分子和大气气溶胶粒子、尘埃、雨等对激光信号的吸收和散射导致光信号能量的衰减是影响激光雷达信号传输的重要因素。另外,由于大气密度分面目 不均匀导致激光沿光路上的折射,大气湍流效应导致光束横截面上能量分布起伏、光束扩展和漂移等,这些对激光雷光信号的传输产生一定的影响。本文对激光在大气中传输的各种能量衰减机制进行分析和讨论,为激光雷达系统的设计提供理论依据。